Comprendre la condensation de l'électricité : exercice 2
Par Christine Blondel et Bertrand Wolff
Comment comprendre que les deux bouteilles de Leyde de la machine de Whimshurst, bien que posées sur un isolant, condensent l'électricité ?
Dans la vidéo L'étincelle, avec ou sans bouteille de Leyde, les deux bouteilles sont posées sur un isolant ! Pourtant elles "condensent" l'électricité, alors que dans l'expérience historique les bouteilles de Leyde ne pouvaient être chargées que si elles étaient tenues à la main, leur armature extérieure étant ainsi "mise à la terre" [Voir l'exercice précédent],
Quelle est l'explication ?
Les deux boules métalliques qui constituent les pôles de la machine sont reliées aux armatures internes des bouteilles de Leyde. On fera l'hypothèse que la boule de gauche est le pôle négatif, celle de droite le pôle positif.
Dans la première expérience que présente la vidéo, les bouteilles sont indépendantes (fig. 1).
Dans la deuxième expérience, on ajoute une tige métallique pour relier les deux armatures externes des bouteilles (en rouge, fig.2).
 figure 1 |
 figure 2 |
Exercice
Lorsqu'on fait fonctionner la machine électrique, elle maintient une certaine tension entre ses deux pôles. Pour une même tension de la machine, schématiser sur les figures, pour chaque expérience, les charges portées par les armatures, en s'inspirant du paragraphe le phénomène d'influence.
Expliquer ce qui se passe lorsqu'on relie les armatures externes des bouteilles par la tige métallique
Solution
Dans le premier cas, les armatures externes restent électriquement neutres puisqu'elles sont isolées. L'armature interne de la bouteille de gauche se charge négativement, l'armature interne de celle de droite positivement. Mais la densité de charges sur chacune de ces armatures reste faible (fig. 3).
Dans la deuxième expérience, lorsqu'on établit la liaison entre les armatures externes, des électrons peuvent fuir de l'armature externe gauche vers celle de droite, repoussés par la charge négative de l'armature interne gauche et attirés par la charge positive de l'armature interne droite. La densité de charge sur les armatures s'élève, du fait de l'attraction mutuelle des charges de signes opposés séparées par la faible épaisseur du verre (fig. 4).
Remarque
La charge électrique totale de l'ensemble "armature gauche - tige métallique - armature droite" reste nulle. Seule la répartition des porteurs de charge positifs et négatifs a été modifiée : c'est un exemple typique d'électrisation par influence.
On peut faire la même remarque pour la machine de Whimshurst elle-même : son socle est isolant, et lorsqu'on la fait fonctionner, autant de charges négatives s'accumulent sur l'un de ses pôles que de charges positives sur l'autre pôle.
 figure 3 |
 figure 4 |
Tous les exercices du Parcours historique